高端（duān）光學元件超精密加工技術與裝備發展研究丨中國工程科學
高端光學（xué）元件是決定高端裝備性能水平的核心零件，研究高端光學元件超精密加工技術與裝備發展，對於實施製造強（qiáng）國戰略、滿（mǎn）足高端裝備產業需求具有積極（jí）意義。我國高端光學元件（jiàn）超（chāo）精密製造技術及（jí）裝備，相比國際前沿存在階（jiē）段性差距，成為製（zhì）約高端裝備製造業（yè）發展（zhǎn）的重大短板。
中國工程院蔣莊德院士研究（jiū）團隊在中國工程院院刊《中國（guó）工程科學》2023年（nián）第（dì）1期發表（biǎo）《高端光學元件超（chāo）精密加工技術與（yǔ）裝備發展研（yán）究》一文。文章剖析了光學元件超（chāo）精密加工方法與裝備、高性（xìng）能基礎部件、超精密光學加工中（zhōng）的測量方法與裝備等的發展情況，凝練了精度與尺寸極端化、形狀與性能一體（tǐ）化、加工工藝複合化、加（jiā）工與檢測一體化、裝備與工藝智能化等發展趨勢（shì）。通過廣泛的行業調研和研討，從需求、目標、產品、關鍵技術、應用示範、支撐保（bǎo）障等層次著手，形成（chéng）了麵向2035年我國高端光學元件超精密（mì）製（zhì）造（zào）技術路線圖。針對性提出了優化創新體（tǐ）係（xì）設置、組織優勢（shì）資源成立技術聯盟，加大資源保障力度、布局基礎（chǔ）研究和技術（shù）攻關計劃，加強人才培育、構建梯隊並擴大隊伍規模，築牢產業發展（zhǎn）基礎、培育龍頭企業（yè）和專精特新“小巨人（rén）”企業等發展建議，以期促進高端光學元件加工產業提（tí）升（shēng）與高質量發（fā）展。
高端光學元件是決定航空航天、國防（fáng）軍工、先（xiān）進（jìn）民（mín）用等領域（yù）高端裝備性能的關鍵零件，典型應用對象有：高分辨率對（duì）地觀測係統、大型天文望遠（yuǎn）鏡（jìng）、X射線望遠鏡、激光（guāng）核聚變裝置、同（tóng）步輻射裝置等大科學裝置，紫外 / 極紫外（wài）光刻機、精密慣性器件、飛行器光學導引頭、消費電子產品、醫療器械等設備。重大裝備服役能力不斷提高，對高端光學元（yuán）件性能（néng）提出（chū）了更高要求；僅（jǐn）以（yǐ）幾何尺寸公差為關注點的（de）傳統設計製造理念（niàn）難以適應高性能光學元件的製造需求，光學元件的超精密製造麵臨技術挑戰。
以慣性約束激光核聚變（biàn）為例，為了實（shí）現核聚變（biàn）“點（diǎn）火”所需（xū）的極（jí）端苛刻條件，美國國家點火裝置大規模采（cǎi）用了以熔石英、磷（lín）酸二氫鉀晶體材料為基礎的大口（kǒu）徑平麵、非球麵、離軸非（fēi）球（qiú）麵等光學元件。我國在“神光”係列裝置上開展了類似研究（jiū）。目前世界上均未實現核聚變（biàn）“點火”目標，分析表明，服役在短波長（zhǎng）範圍的高（gāo）性能光學元件超精密製造及其抗強激光損傷特性成為製約激光核聚（jù）變（biàn）驅動器 ‒ 巨型激光裝置能否成功研製的瓶頸問題（tí）。探究強激（jī）光紫外（wài）短波長光學元件超精密製造過程中表（biǎo）麵形貌及缺陷的（de）形成（chéng）、影響機製、抑製方法，可極大節約激（jī）光核聚變裝置的運行（háng）維護成本、加（jiā）速新（xīn）一（yī）代激（jī）光核聚變點（diǎn）火（huǒ）裝置的研製進程。
空間（jiān）X射線（xiàn）探測是脈衝星（xīng）全自主計時導航、X射線通（tōng）信、空間環境監測等工程應用，天文（wén）觀測（cè）、太陽X射線探測等空間科學探測的關鍵技（jì）術。空間X射線反射鏡由多層輕質薄壁複雜曲麵鏡片經同軸共焦精密裝（zhuāng）配而成，要求加工至亞納米表麵粗糙度、微弧度級斜率偏差、極少的（de）加工缺陷。目前，相比發達國家X射線（xiàn）多層嵌（qiàn）套反射（shè）鏡（jìng）加工技術，我國在（zài）反射鏡層（céng）數、分辨率方麵差距明顯，研製（zhì）高靈敏度空間X射線探測係統亟需解決相關難題。突破多層（céng）嵌（qiàn）套式X射線空（kōng）間反射鏡製造新工藝的基礎理論與工（gōng）藝方（fāng）法，對推動新一代航天（tiān）器深空全（quán）自主導航與通（tōng）信、深（shēn）空探測、空間科（kē）學領域發展具有重要的科學意（yì）義和工程價值。
在半導體芯片製造（zào）領域，極紫外光刻技術是國際半導體（tǐ）行業延（yán）續摩爾定律、確保光刻分辨（biàn）率（lǜ）進入7 nm/5 nm節點的核心關鍵所在。極紫外光刻物鏡需要適應以全頻段、亞（yà）納米精（jīng）度製造為代表（biǎo）的一係列苛刻（kè）要求，才能保證光刻性能：采用光學自由曲麵設計（jì），減小光學係統波前誤差，增大數值孔徑，減少元件數量；使（shǐ）用超低膨脹的（de）微晶玻璃來保證工作穩定性，而這種異質材料的高（gāo）性能超精密製造具有（yǒu）挑戰性。目前，隻有德國蔡司集團能夠生（shēng）產麵向大規模製（zhì）造的極紫（zǐ）外光刻物鏡；我國重點研究的深紫外光刻（kè）物鏡製（zhì）造技術，與國際先進水平相比差距（jù）明顯，是製（zhì）約極大（dà）規模集成電（diàn）路製造技術發展的“卡脖（bó）子”環節（jiē）。
我國高端光學元件超精密製（zhì）造技術及裝備，相比國（guó）際前沿存在階段性差距，成為製約（yuē）高端裝備製造業發展的重大短板。在高新技術領域國際競（jìng）爭趨於激烈、一些國家試圖對我國（guó）進行科（kē）技封鎖的背景（jǐng）下（xià），“自主可控”解決光（guāng）學製造這一“卡脖子”難題顯得尤（yóu）為迫切。發展國產高端光學元件超精密加工技術，是實現諸多大科學裝置（zhì）、高端裝備應用（yòng）突破的必（bì）由之路。
中國工程院谘詢項目（mù）“高（gāo）端光學係統的精密超精密加工技術及裝（zhuāng）備的（de）發展戰略研究”，廣（guǎng）泛開展了文獻調研、現場考察、會議（yì）研討（tǎo）、問卷調查，旨在推動新形勢下高端光學元（yuán）件超精密加工技術與裝備的高質量發展。文章作為相關谘（zī）詢項目研究（jiū）成果的學術性（xìng）展示，梳理光學元件（jiàn）超精密加工方法與裝備（bèi）、高性能基礎部件、超精（jīng）密光學加工相（xiàng）關測量方法與裝備的發展現狀，分析理論、工（gōng）藝、裝備、應用等方麵的瓶頸問題，提煉超精（jīng）密（mì）光學（xué）製造技術的發展（zhǎn）趨勢，形成麵向2035年高端光學元件超（chāo）精密製造技術路線圖，以期為我國超精密加工技術領域基礎研究、技（jì）術攻關、裝備應（yīng）用等研（yán）究提供基礎性參考。
二、國內外高端光（guāng）學元件超精密加（jiā）工技術與（yǔ）裝備發展現狀
高端光（guāng）學元件製造的（de）載體是精密 / 超精密光學加工（gōng）機床（chuáng）。在以“高檔數控機床與基礎製造裝備”國家科技重大專項（簡稱04專（zhuān）項）為（wéi）代表的國（guó）家科技計劃支（zhī）持下，我國初步形成了超精密加工機床自（zì）主研發能力，產品品種基本滿足重點領域需求，數控（kòng）係統（tǒng）與關鍵功能部件的研發及配套能力基本形成。以04專項實（shí）施完（wán）畢後的狀（zhuàng）態（tài）來判（pàn）斷，我國機床行業與（yǔ）國（guó）際先進水平仍有15年左（zuǒ）右的（de）差距。
（一）超精密加工方法和裝備
美國企業在光學元件超精密加工領域起步最早、水平（píng）最高，歐（ōu）洲（zhōu）企業緊隨其後，日本企業在中小型民用超精密加工領域具有獨特優勢；這（zhè）些企業技術體係成熟且注重技術原始創（chuàng）新，占據了大部分（fèn）市場份額。近年來，我國的科研（yán）機構和企業（yè）在國家重（chóng）大需求的牽引（yǐn）下，積極開展光學元件超精密加工技術研究，但與國（guó）外相比存（cún）在階段性差距。① 自主研（yán）製的超精密加工機（jī）床（chuáng），其數控係統性（xìng）能與可（kě）靠（kào）性、主軸回轉精度與轉速（sù）、溜板直線度與定位（wèi）精度、納米級運動控製與補償、加工精度與（yǔ）範圍等方麵普（pǔ）遍滯後於國際（jì）前沿水平；“產學研用”協同創新與要素融合不足，基礎研究脫節（jiē），應用技術轉化率不高，原創技術（shù）稀缺，以跟蹤研究（jiū）為主流。② 在我國超精密加工機床市場上，國外公司占據（jù）主導地位，進口產品擁有多數份額；國產機床集中在航空航天、國防軍工領域應用，以高端民用（yòng）為代表的大規模、產業（yè）化應用尚未展開。③ 國內相關研究隊（duì）伍規模（mó）較大，然而具有（yǒu）國際影響力、引領產業發展的標誌性人才（cái）稀缺，有關（guān）超精密機床製造方麵的基礎研究力量儲備薄弱。
（二）數控係統、關鍵功能部件和刀具
通過持續努力（lì），我國（guó）在超精密機床數控係統、關鍵功能部件、刀具等方麵基本具備了自主保障能力。國產高檔（dàng）數控係統的功能（néng）基本接近國外先進係統，高檔數控係（xì）統配（pèi）套應（yīng）用超過1500套，中檔數控係統配套超過7萬套；高檔數控與伺服驅動係統仍依賴進口。國產功能部件平均無故障工作時間（jiān）超過15 000 h，基本滿足數整機配套技術（shù）要求，但精密軸承、精密導軌、高精密光柵等基礎部件製造仍是薄弱環節。國產數控係統、伺服係統、精密光（guāng）柵等核心部件未能形成貫通配套，應用領域用戶的認可度不（bú）高。刀具品（pǐn）種數量（liàng）豐富（超過45 000種），行業用刀（dāo）具國產化率提升（shēng）至45%，但用於超精密加工的高性能（néng）刀具，在加工（gōng）效率（lǜ）、使用壽命方麵落後於進口產品。
國產數控係統的市場格局具有低端快速膨脹、中（zhōng）端進（jìn）展緩慢、高端依賴（lài）進（jìn）口的特點。國（guó）產高端數控係統的功能、性能、可靠性等（děng）存在明顯不足，導致高檔數控係統市場90%以（yǐ）上被進（jìn）口產品占據。機（jī）床（chuáng）智能控製係統是新一代機床的重要組成部（bù）分，人工智能、數字孿生、雲服務等技術是（shì）支撐智能控製係統的（de）關（guān）鍵，相關研究有待深入。
國產主軸的徑（jìng）向回轉精（jīng）度（dù）約為50 nm，不能（néng）適應超精密（mì）機床的集成（chéng）要（yào）求：電（diàn）主軸的電機內裝式（shì）結構、高轉速下的亞 / 微米級高回轉精（jīng）度尚未實現，氣體軸承剛度差、承載能力不足且難以保證高轉速下主軸的（de）高回轉精度，液體靜壓軸（zhóu）承在油溫控製、油泵（bèng）減振、油液防泄漏等（děng）方麵有待提（tí）高。
國產轉台的徑向 / 軸向回轉精度約為25 nm，不能完（wán）全滿足（zú）超精密（mì）機床的研製要求。超精密回轉（zhuǎn）工作台存在很（hěn）多問題，如液體（tǐ）靜壓轉台的動態特性不穩定，轉台（tái）工作精度隨著溫（wēn）度（dù）升（shēng）高而降低。
國內導軌加工仍停留在（zài）1 m長度、1 μm直線度的水平，相應的超（chāo）高精度導軌沒有擺脫進口依（yī）賴。氣浮（fú）導（dǎo）軌承載力低、穩定（dìng）性差（chà），精密滾動導軌副的抗振性欠佳、機械磨損大，液（yè）體（tǐ）靜壓導軌在溫升（shēng）控製、流量控製等方麵存（cún）在短板。
國產光柵位移（yí）傳感器占據世界（jiè）市場的（de）50%以上，但以中 / 低檔（dàng）產品為主；大行程、高精度光柵直線位移傳感器，超精密圓光柵角位移（yí）傳感器的自主研發與製造能力薄（báo）弱，應（yīng）用於光刻機等高端製造裝備（bèi）的二維光（guāng）柵更是缺（quē）失。從位移傳感器產品的核心性能角度看，大行程（超過5 m）、高（gāo）精度（優於±5 μm）封閉式光柵，圓光（guāng）柵編碼器（精度優於±1″）等高端產品被國外企業壟斷。
國產超硬車銑刀（dāo）具（jù）的精度和使用壽命等，與國外先進（jìn）水平相比差距明顯。金剛石砂輪結合劑的耐磨性較低，細粒（lì）度金剛石砂輪的磨削加工（gōng）精度低、加工質量不穩（wěn）定（dìng）。拋光（guāng）工（gōng）具的平坦度較低（dī），使用壽命較短，缺陷率較（jiào）高。超高純膠體SiO2等高端原（yuán）材料需要進口。
（三）光學元件超精密加工中的測量方（fāng）法與裝備
在機床精度測量方麵，激（jī）光幹涉儀、電容傳感器在超精密機床（chuáng）的幾何（hé）誤差（chà）測（cè）量中應用廣泛，但需要配備（bèi）多類標準件，成本高且操作複雜；快速在機誤差測量的儀器、測量方（fāng）案、測量標準等亟需發展。通過試（shì）切法、誤差敏感性分析來識別機床幾何誤差在實際應（yīng）用中較為流行，深（shēn）入研究誤差溯源分析算（suàn）法並提高分析效率（lǜ）成為熱點。辨識超（chāo）精密機床的幾何誤差與加工表麵性能之間的（de）關係及響應機理（lǐ），集成機床精度檢測裝置（zhì）以匹（pǐ）配（pèi）自適應 / 智能製造裝備的研製需求，是機床精度檢測技術的主要發展方向。
光學元件離線檢測設備主要依（yī）賴進口，如超精密接觸式檢測設備方麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，幹涉檢（jiǎn）測設備方麵的ZYGO、QED等品牌。針對非球麵（miàn）、自由曲麵（miàn）的超精密測量是光學元件檢測的難點，相（xiàng）應檢測技術發展表現（xiàn）為（wéi）通用化、高精度兩類方向：前者（zhě）要求在不對係統進行明顯調整（zhěng）的情（qíng）況下，快速（sù）自動地進行不（bú）同（tóng）種類光學表麵的檢測；後者要求盡可能地提高檢測精度，用於檢測超高精（jīng）度非球麵（麵形誤差為納米 / 亞納米量級，補償器精度、係統誤差（chà）的校正精度是關鍵）。
在光學（xué）元件在位測量（liàng）方麵，雖然提出了加工 ‒ 測（cè）量一體（tǐ）化（huà）理念，成功用於光（guāng）學元件的精密加工過程並取得了原創性成果，但在位測量、加工 ‒ 測量一體化受測量原理、集成機理、技術難（nán）度等方麵的（de）製約，很難滿足多尺度、高精度、高頻響（xiǎng）、動態測量、多參量的測量需求。三維複雜結構表麵（miàn）具有廣泛應用，相應微表麵形貌的測量不僅涉及粗糙度或瑕疵，而且與輪廓、形（xíng）狀偏差、位置偏差密（mì）切相關。未來，在位測（cè）量需兼具高速性（xìng）、實時性、高分辨率、大測量縱深、寬測量範圍。實現在位測量高精度信（xìn）息獲取、高效率數（shù）據（jù）處理，關鍵在於融合局部測量 / 全局測量不確定度評定、測量單元與（yǔ）運動單元、多源異構數據的測量分析理論與評定方（fāng）法。
三、高端光學元件（jiàn）超精密加（jiā）工技術與裝備發展趨勢
（一）精度與（yǔ）尺寸極（jí）端化
極大尺（chǐ）寸、極小尺寸、極高精度（dù）的光學元件，市（shì）場需求趨於迫切：① 大口徑非球麵光學元件廣泛應用於遙感（gǎn）衛星、空間望遠鏡、地基天文望遠鏡（jìng）等精密光學係（xì）統，其單體主鏡口徑為3~7 m；② 微結構光學（xué）功能元件在三維成像、光學（xué）聚焦、測量、冷卻、減阻、潤濕等方麵應用廣泛，相應結構尺（chǐ）寸可達微 / 納米級；③ 在麵形精度、表麵（miàn）完整性要求進一步提高後，超精密加工過程中的材料去除量（liàng）降（jiàng）低至微米、納米（mǐ），甚至原子量級。此外，原子及近原子（zǐ）尺度製造將能量直接作用於原子，通過構建原子尺度結構實現特定（dìng）功能與性能，是新一代製造技術的趨勢之一，對革新高端（duān）光學器件製造具有積（jī）極意義。
在光學元件尺（chǐ）寸和精度極端化的背景（jǐng）下，需要（yào）優（yōu）化已有研究規劃，適時布局以極端精度（dù）與尺度製造為代表的新一代製造（zào）技術。立足微觀力學、機械製造的學科背（bèi）景，積極推動機械、物理、化學、材料等學科交（jiāo）叉，著力開（kāi）展以下基礎研究：納米及近原子尺度超精密加工的材料去除與遷移機理、光學（xué）材料多能場（chǎng）輔助的超精密加工新原理與新方法、光學（xué）材料超精密加工亞表麵損傷（shāng）的產（chǎn）生機（jī）理與抑製方（fāng）法、光學元件近零損傷表麵形成機理與工藝、複雜曲麵光學元（yuán）件高效超精密（mì）加工工藝，為高端光學元件超精密（mì）加工關鍵技術突破、先（xiān）進加工工藝與裝備（bèi）開發築牢基礎。
（二）形狀與性能一體化
激光核聚變裝置、飛行器光學導引頭等光學元件的服役（yì）性（xìng）能，既取決於幾何精度，也受（shòu）到表層材料物理、化學、機械性（xìng）質變化的顯著影響。例如，激光核聚（jù）變裝置未能實（shí）現預期（qī）的“點火”目（mù）標，重要原因在於加工缺陷（xiàn）抑製水平不（bú）能滿足係統對輻照損傷（shāng）的要（yào）求。紫外光學元（yuán）件高性能超精密製造及其抗強激光損傷特性，實際上成為製約激光核聚變裝（zhuāng）置能否成功研製的瓶頸。
以加工精度作為單一評價指標，已不再滿足高性能光學（xué）元件的製造要求，需要綜合使用幾何（hé）精度、表麵完整性指標對加（jiā）工質量進（jìn）行全麵評價。超精密光學元件（jiàn）加工由以往的（de）幾何形（xíng）狀與尺寸精度要求，提升為以性能要求（qiú）為主、性能與幾何參數一體化的精密加工要求，此即高性能製造。需要（yào）建立麵向使役性能要求的形狀 ‒ 性能一體化加工理論、方法以及（jí）工藝技（jì）術體係，為（wéi）解決高性能（néng）光學元件的製造難題提供新方案（àn）。
（三）加（jiā）工工藝複（fù）合化
高端光學元件苛刻的服役條件以及極高的性能要求，對革新光學製造技術（shù）提出迫切需求（qiú）。高端光學元件表麵形狀複雜化（huà）、表麵結構多樣化和微細化，對加工效率、加工質量的要（yào）求（qiú）更高，也提出了綠色低碳的（de）環境要（yào）求。當前主流的加工技（jì）術（shù）具有（yǒu）局限性，如加工效率偏低、加（jiā）工精度低不足、表麵質量難保證、加工可達性差、環境汙染風險高等，高質、高效、綠色的先進超精密加工技術成為研究趨（qū）勢。
采用多能（néng）場輔助或者（zhě）兩種以上加工工藝（yì）複合方法，可取長補短（duǎn）並發（fā）揮各（gè）自優勢，克（kè）服上述局（jú）限性。未來研（yán）究重點有：探索新型加工工具材料，建立新型複合加工（gōng）係統，深化複合加工機理研究，拓展複合加工技術應用。複合（hé）加工技術朝著高精度（dù）、微細化方（fāng）向發展，成為高端光學元件超精密加工的重要趨勢；針對性開展超精密複合加工（gōng）理論與技術創新研究，切實提升光學製造技術水平與市場競爭力。
（四）加（jiā）工與檢測一體化（huà）
超精密光學製造突出表現在高精度、高性能（néng）、高效率的（de）疊加，加工與檢測一體化是解決相應難題的主要手段，針對製造中物理、化學過程的智能化調控更顯重要。製造裝備、工具、工（gōng）藝、檢測（cè）設備等麵臨變革，如製造工具需在多（duō）傳感器參與的感知調控下具備材料去除、添加或改性（xìng）功能。在檢測方（fāng）麵，提高精度是關鍵（jiàn），在位、高效（xiào）、穩定仍是主要目標，支（zhī）持實現高質量綜（zōng）合評價的多物理量檢測（cè）成為新（xīn）發展方向。
在超精密加工與檢測一（yī）體化（huà）方麵，重點研究內容有：在線、在（zài）位測試與評定（dìng）新原理和（hé）方法，加工（gōng）裝備精（jīng）度（dù）的在線檢測模（mó）型和係（xì）統，超精密加工機床精度指標的測試與評定係統，高精度自由曲麵（miàn）及（jí）微細結構測量（liàng）的新原理與新方法，新型模（mó）塊化（huà）、可重組、多功能測試裝備技術，超精密測（cè）量誤差多源（yuán）分（fèn）離新方法。超精密加（jiā）工測量的發展趨勢表現為：高精度、大量程測量，形狀和位（wèi）置精度的同步（bù）測量，多（duō）物理（lǐ）量檢測表征，高性能檢（jiǎn）測的計量。
（五）裝（zhuāng）備（bèi）與工藝（yì）智能化
受高端光學係統（tǒng）的需求牽引，複雜麵形或（huò）難加工材料（liào）元件的加工效（xiào）率和精度不（bú）斷突破，衍生出的高端光學元件產品在通用領域得到（dào）更多應用。在通用（yòng）領域中的應用規模拓展後（hòu），高端光學元（yuán）件的規模（mó）化、定製化製造需求（qiú）凸顯，從而提出了製造設備的（de）高效率（lǜ）、高精度、智能化加工要求。在（zài）世界工業新一輪技術浪潮驅動下，智能製造成為製造業的主導趨勢（shì）；工業強國采取積極行動，促進製造業在智能製造、智慧化生產等方向的革新發展。
目前，高端光學（xué）係統的光（guāng）學（xué）元件較多采用定製化的設計生產模式，根（gēn）據客戶特（tè）殊需（xū）要“量身定製”解決方案；生產製（zhì）造企業需掌握設備生（shēng）產工藝，將（jiāng）智能製造技術運用到細分市（shì）場產品，進而為各類（lèi）產品創建自（zì）動化（huà）解（jiě）決方案。著眼未來，智能製造裝備企（qǐ）業應圍繞市場需求，構（gòu）建高度自動化的生（shēng）產過程，對各種製造對象、各類製造環境具（jù）有良好的適應性。裝備與（yǔ）工藝智（zhì）能化發（fā）展，將融合數字孿（luán）生、大數（shù）據、人工（gōng）智能等信（xìn）息技術，全（quán）麵提升並高效運用控製、傳感（gǎn）、精密製造、識別等關鍵技術。
四、麵向2035年我（wǒ）國高端光學元件超精（jīng）密加工技術路線圖研究（jiū）
研究和編製高端光學元（yuán）件超精密（mì）加工技（jì）術（shù）路線圖，可直接支撐我國在此（cǐ）技（jì）術（shù）方向的中長（zhǎng）期（qī）發展規劃、技術攻關、理論探索。研究依托相關谘詢項目，集（jí）聚領域內院士、專家（jiā）、學者的集（jí）體智慧，重點完成兩方麵工作：① 開展廣泛的文獻調研，與航（háng）天、航（háng）空、船（chuán）舶、兵（bīng）器、光學應用、機床製造（zào）等領域的企業（yè）和科研院所實地調（diào）研相結合，全麵把握我國高端光學元件超精（jīng）密加工技術方向的發展態（tài）勢和（hé）需求（qiú）情況；② 組織召開了近20次（cì）研討會，麵（miàn）向86位本領域專家開展（zhǎn）問卷調（diào）查（chá），精準研判高端光學元件超精密加（jiā）工技術方向的發展趨勢，形成我國（guó）技術發展布局（jú）建議。
以2035年為目標節點形成的高（gāo）端（duān）光學（xué）元件超（chāo）精密加工技術（shù）及裝備發展路（lù）線圖（見圖1），包含7個方麵的（de）內容：應用需求，發展目標，重（chóng）點產品，數控係統、關（guān）鍵功能部件和刀具，測（cè）量方法與裝備，光（guāng）學元件製造共性（xìng）關鍵技術，應用（yòng）示範工程。
高端光學元（yuán）件超精密加工技術及裝備發展路（lù）線圖
（一）應用需求（qiú）
1. 深入實施製造強國（guó）戰（zhàn）略的需（xū）要（yào）
國家“十四五”規劃綱（gāng）要提出，深入（rù）實施製造強國戰略。高端光學元件作為製造業（yè）的核心基礎零件，其製造技術研究（jiū）對加強產業基礎能力建設、推動製造業優化升級意義重大。X射（shè）線望遠鏡、極紫外光刻機、激光核（hé）聚變裝置、自由電子激光裝置、同步（bù）輻射裝置等高端裝備列為科技前沿領域和重大基礎設施（shī），關鍵光（guāng）學元件的性能決定（dìng）了這些高端裝備的（de）性（xìng）能，而當前的製造（zào）水平不足以匹配光學（xué）元件的高（gāo）性能製造需求。
2. 產業發展需求
消費電子、半導體製造、智能工業機床、紅（hóng）外熱成像儀、車載鏡頭等（děng）產品，大量應用光學元件和組件。2021年（nián），我國光學鏡片、鏡（jìng）頭、模組等元器件的市場規模為1568億元；技術更新速度快，相應市場規（guī）模將進一步擴大。國內從事高端光學元件精密（mì）製造的企業，數量較少（shǎo）且產（chǎn）品集聚在中低端，在高分辨率定焦、大倍（bèi）率（lǜ）變焦、超高清、光學防抖、安防監控一體機鏡頭等中高端光學鏡頭製造方麵的（de）核心技術薄弱甚至部分缺失。開展高端光學元件高性能超精密製造基礎理論與關鍵技術研究，突破（pò）國內市場格局（jú）並高質量“走出去”，是國內企業和科研（yán）機構的發展亟需。
3. 國防裝備發展需求
對地觀測（cè）衛星、精確製（zhì）導飛行（háng）器、高能激光器等裝（zhuāng）備是國防裝備信息化和現代化的重要支（zhī）撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整流罩、折衍混合光（guāng）學元件、高能激光組（zǔ）件等高端光學元件是先進裝備的關鍵零件。這些關鍵（jiàn）零件的製（zhì）造水平決定了國防（fáng）裝備的設計性能與服役規模。然而，國（guó）產（chǎn）高端光學元件的超精密加工技術水平依然無法全麵滿足先進裝備發展需求，有關技術封鎖和設備禁運也客觀存（cún）在，自主攻關（guān）高端光學元件超精密（mì）加（jiā）工裝備及其關鍵技（jì）術極為迫切。
（二）發展（zhǎn）目標
1. 突破超精（jīng）密加工的共性關鍵技術（shù）
圍繞高端光學元件的（de）超精密製造需求，重點突（tū）破全頻譜納米 / 亞納米級精度創成、近無缺陷高表麵完整（zhěng）性加工、超精密機床正向設計與數據資源建構、超精密智（zhì）能機床製造等共性（xìng）關鍵技術，支（zhī）持（chí）光（guāng）學製造（zào）技（jì）術應（yīng）用從高精度提升至高性能。
2. 研發和應用（yòng）關鍵超（chāo）精密加工裝備
在近期，重點研發（fā）應用亟需但未能實現自主供給商品化、屬於國外禁運的重大（dà）裝（zhuāng）備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯製（zhì）造基礎裝備、輕量（liàng）化及超（chāo）精密磨削裝備（bèi）、亞納米級加工（gōng）裝備、超大口（kǒu）徑光學元件超精密測量儀器（qì）。在此基礎上，進一步（bù）提升（shēng）重大裝備（bèi）性能並擴充種類，如7 m及以上口徑光學元（yuán）件毛坯製造基礎裝備、輕量化及超精密（mì）磨削裝備、原子級（jí）加工裝備、超大（dà）口徑光學元件超精密（mì）測（cè）量儀器、超大尺寸（cùn）光學元件修（xiū）複（fù）裝備、航天器機載光學元件製造及修複裝備（bèi）。
3. 形成超精密製造領軍企業
優化（huà）以國家重點實驗室、國家工程研究中心、省部級重點實（shí）驗室為核心（xīn）的（de）光學元件超精密製造科（kē）研體係，引導“產學研”融合發展，推動（dòng）創新（xīn）資源（yuán）整合升級。鼓勵重點方向基礎良好的企業發展成為專精特新“小巨人”企業，建設示範（fàn）性智能工廠（chǎng），實現關鍵技術的裝備應用，提升產業（yè）鏈配套供給水平。發展光學元件（jiàn）超精密製造專業技術服務企業，支（zhī）持形成良好的製造（zào）業生態。
4. 提升機床（chuáng）和（hé）單元（yuán）部件的自主化率及市場占有率
打破我國光學（xué）元件（jiàn）加工機床（chuáng）行業“低端混戰、中端爭奪、高端失守、大而（ér）不強”的競爭格局。在（zài）國產光學元件超精（jīng）密製造裝備、高檔數控係統、超精密關鍵功能部件方麵，國內市場占有率近期目標均為70%，2035年提升（shēng）至80%。
（三） 重點產（chǎn）品
1. 超（chāo）精密車削裝備
到2025年，麵形誤（wù）差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤3 nm。到2030年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙（cāo）度Ra≤2 nm。到（dào）2035年，麵形誤差PV≤0.1 μm/75 mm，表麵（miàn）粗糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精密銑削裝備
到2025年（nián），麵（miàn）形誤差（chà）PV≤0.3 μm/75 mm，表麵粗糙度（dù）Ra≤10 nm。到2030年，麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤8 nm。到2035年（nián），麵形誤差（chà）PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密（mì）磨削裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差PV≤10 μm/m，亞表麵損傷≤35 μm。到2030年，加工（gōng）口徑≥5 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷≤25 μm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷≤15 μm。
4. 超（chāo）精密拋光裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差RMS≤12 nm。到（dào）2030年（nián），加工口徑≥5 m，麵形（xíng）誤差RMS≤8 nm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數控（kòng）係統、關鍵（jiàn）功（gōng）能部件和刀具
1. 數控係統（tǒng）
建立開放式、網絡化的雲架構數控係統（tǒng），基於雲（yún）平台的智能數控係統。雲上控製編程處理靈活，開放性良（liáng）好，支持手機、筆記本（běn）電腦、工（gōng）業計算機、虛擬現實等多種人（rén）機交互前（qián）端。突破多軸、多通道、納米插補數控加工技術，實現自適應加工、刀具壽命管理、在位測量、虛擬現實仿真、自監控、維護、優化、重組等功能。
2. 關鍵功（gōng）能部件
到2025年，突破超精密動靜壓軸承製造與檢測、超精密反（fǎn）饋元件與運（yùn）動控製等技術，具備高精度、高剛度、運動平穩的功能（néng）部件製造能力。到2030年（nián），突破多物理量可調運動部件、檢測單元等技術，具（jù）備高性能功能部件製造能力。到2035年，突破關鍵功能（néng）部件多（duō）物理量狀態感知、多物理量調控、精（jīng）度 / 剛度（dù）補償等技術，具（jù）備智能化功能部件製造（zào）能力。
3. 刀具
在金剛石砂輪方麵（miàn），近期具備批量生（shēng）產和應用細粒度、高性能（néng）金剛石 / CBN砂輪的能力，進一步發展超細粒度、高性（xìng）能金（jīn）剛石 / CBN砂輪。在（zài）金剛（gāng）石車（chē） / 銑刀具方麵（miàn），著（zhe）重發展複（fù）合納米結構化刀具，解決加工表麵中高頻誤差大、加工效率和精度難以兼顧的難題。在拋光工具方麵（miàn），近期發展多種可控柔（róu）體亞納米拋光工具，進一步發展（zhǎn）刀具工作狀態智能化監測、刀具數字化設計製（zhì）造一體（tǐ）化等技術。
（五）測量方法與裝備
1. 機床精度測量
在快速在機誤差測量儀器和標準方麵，開發新一代測量儀器、方案和標準，破解激光幹涉儀、電容傳感器價格昂貴，操作複（fù）雜等難題。在超精密機床誤差識別與實時補償技術方（fāng）麵，開發誤差溯源分析算法，高效（xiào）識別幾何誤差；優化機床幾何誤差在機測量的快速解算（suàn）方法（fǎ），實現誤（wù）差的實（shí）時補償。在機床（chuáng）誤差（chà）的自適應（yīng） / 智能檢測（cè）與評價方麵（miàn），探究（jiū）技術機（jī）理，揭示超精密機（jī）床的幾何誤差與加工表麵質量之間的關係及響應機製（zhì）。
2. 光學元件在位測量
在光學元件（jiàn）的低應（yīng）力、高效率、接觸式測量技術（shù）方麵，降低接觸應（yīng）力對光學元件的破壞作用，削弱（ruò）針尖磨損導致的測量精度退化效應，提（tí）升接觸式在位測量的效率（lǜ）。在複雜光學元件的（de）非接觸式納米 / 亞納米精度測量技術（shù）方麵，突破機床溫（wēn）變、振動（dòng）、汙染條件下複雜光學元件幾何精（jīng）度的超精密檢測難題。在光學元件的多模態跨尺度形性測量技術方麵，實現麵形精度、微觀（guān）形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘餘應力等多模態、跨尺（chǐ）度表麵特性與使（shǐ）役性能的快速（sù）表征。
3. 光學元件離線測量
在複雜光學元件亞納米幾何精度（dù）測量技術方麵，突破高（gāo）陡度非球麵、自由曲麵的全頻譜亞納米精度檢（jiǎn）測難題。在光學元件表麵完整性的多參數、多傳感器協同表征技術方麵，實現光學元（yuán）件多參數表麵完整（zhěng）性的（de）實時定量準確評價，提升加工缺陷（xiàn）的修複（fù）精度。在光學元件時 ‒ 空域形性參數的跨尺度（dù）表征（zhēng）與信息融合技術方麵（miàn），麵向光學元件使役性能要求，形成形性一體化製造能力。
（六）光學元件製造共性關鍵技術（shù）
1. 全頻譜納米 / 亞納米級精度創成
複雜光學元件（jiàn）的全（quán）頻譜納米 / 亞納（nà）米級精度創成決定了光刻物鏡、空間光學、強光光學等方麵的（de）應用（yòng）水（shuǐ）平，研究難（nán）度（dù）表現在：納米精度要求（qiú）穩定實現亞納米量級的材料去除；複（fù）雜形狀引起材料去除率變化，需要進行有效補償；全（quán）頻段誤差、加工缺陷等影響（xiǎng）光學性能（néng），要求實現一致收斂和去除。現有光（guāng）學加工方法較多基於經驗，具有不確定性，難以克服現代光（guāng）學零件加工的性能瓶頸，需要突破異質 / 各向異性材料納米量級可控去除、複雜曲麵可控補償修（xiū）形、弱剛度光學元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑製、光學（xué）製造裝備運動軸性能設計（jì）、複雜曲麵全頻段（duàn）超精密檢測等關鍵技術。
2. 近無缺陷（xiàn）高表麵完整性加工
采用單一物理場（chǎng）的加工方法，很難實現高精度的近零亞表麵損（sǔn）傷加工；原子級多物理場納（nà）米加工（gōng）機理研（yán）究匱乏，加工表麵容易出現脆性裂紋、加工缺陷、表層物理和化學特性變化。研究多能場複合加工中表麵完整性的動態演化過程及其影響因素，辨（biàn）明（míng）實現近（jìn）無缺陷高表麵完整性加工的條件，需要突破麵向光學元件使役（yì）性能（néng）的表麵完整性設計（jì）、光學元件控域（yù）控量控性、表麵加工缺陷確定性原位修複、跨尺度表麵缺陷無損精確表征、多參數表麵完整性多物理（lǐ）場表征等關鍵技術。
3. 超精密數控機床正向設計與數據資源（yuán）建構
國產精密 / 超精密光學加工（gōng）機（jī）床的精度、可靠（kào）性、穩定性，相比國（guó）際先進水平存在（zài）階段性差距，缺乏麵向機（jī）床使（shǐ）役性能的正逆向設計方法（fǎ）是（shì）導致上述差距的重要原因。超精密機床的正向設計，取（qǔ）決於設計資（zī）源數據庫，機床的精（jīng）度及剛度與（yǔ）機床結構、零部件精度、控製參數之間的關係模型；需要突破數控機（jī）床的功能設計、構型設計，精度設（shè）計、靜 / 動剛度設計、熱平（píng）衡（héng）設計，包括動力學優化、輕量化設（shè）計在內的多學科優（yōu）化設計等（děng）關（guān）鍵技術（shù）；構（gòu）建開放的工藝軟件與數據庫，集成完備的設計規範（fàn）與標準、知識庫、案例庫。
4. 超精密智能機床製造
超精密機床（chuáng）製造技術薄弱，是國產光學加工裝備性能落後於進（jìn）口產品的關鍵因（yīn）素之一。提高超（chāo）精密機床製造水平，需兼顧關鍵零部件製（zhì）造與整機裝配、智能機床係統與技術（shù）的發展：對於前者，需要突破基（jī）礎結構件低應力製造、高分辨率納米 / 亞納米運動伺服進給係統（tǒng）製造（zào）、工件（jiàn）台納米定位與運動協同控（kòng）製、超精密空氣主軸與全約束閉合式（shì）油（yóu）靜壓導（dǎo）軌製造、自動調平（píng）間斷式空氣隔振係統製造、超（chāo）精密切削與高效低損傷磨拋工具製造等方麵的關鍵技術；對於後者，需要突破高穩定性（xìng）智能伺服調整、熱變形智能控製、加工狀態（tài）實時智（zhì）能導航、五軸加工誤差智能調諧、智能實時防（fáng）碰撞係統、加工過程切削負載自適（shì）應智能控製、機床運行狀態智能診斷與預警等關鍵技術。
（七）應用示範工程
1. 大口徑輕量化空間光學元件製（zhì）造
高分辨率對地觀測係統、X射線望遠鏡等空間裝備，以大口徑光學元件為核心功能支撐。大口徑光學元件材料硬脆、麵形複雜、極端輕量化，需要實現全頻譜納米（mǐ）級加工精度（dù），而國產製造裝備在口（kǒu）徑（jìng）、精度、效率方麵均不能滿足要求。建議實施大口徑輕量化空間光學元件製造應用（yòng）示範工程，形成4 m口（kǒu）徑空間光學元件的超精密高效率磨削、拋光、修形、檢測技術與國產化裝備（bèi）。
2. 探測製導光（guāng）學元件高性能超精密製造
精密複雜慣性器件、高陡度保形光學元（yuán）件等，較多采用高硬脆性材料，麵臨共（gòng）形、氣動熱、高光譜、高過載等使役環境挑戰；通過加工精度、材料特性、結構（gòu）設（shè）計方麵的耦合調控，才能獲得預期的探測製導性能。建議實（shí）施麵向使役性能的光學元件設計 ‒ 加工 ‒ 測量一體化製造應用示範工程，揭示極端服役環境下加工精度對服役性能的影響機製，形（xíng）成探測製導光學元件的高性（xìng）能超精密製（zhì）造技術與國產化加工裝備。
3. 強光光學元件抗輻照（zhào）損傷製造
激光點火裝置、高能激光器的（de）強光（guāng）光學（xué）元件服役於強激光環境，因（yīn）加工缺（quē）陷誘導的輻照損（sǔn）傷成為製約相應裝備性能提升的（de）瓶頸。建議實施強光光學元件抗輻照損傷製造應（yīng）用示範工程，揭示微納米加工缺陷對抗輻照損傷性能的影響及抑製機理，形成（chéng）近無缺陷強光元件的高性能（néng）製造技（jì）術和國產化磨削、拋光、缺陷抑製裝備。
4. 極紫外光刻機物鏡超精密製造
光刻物鏡的（de）製造水平決定著光刻機的製程精度，我國在此方向的技術基礎薄（báo）弱，尚無自主可控的（de）產品可供應用，而進口渠道不可依賴。建議實施極紫外光刻（kè）機物鏡超精密製造應用示範工程，闡明原子 / 近原子尺度加工機理，形成全頻譜亞納米精度光刻物鏡加（jiā）工技術（shù）與國產化拋（pāo）光、修（xiū）形、檢測裝備。
五、我國（guó）高端光學元件超精密加工技術與裝備發展建議
（一）優化創（chuàng）新體（tǐ）係設置，組織優勢資源成立技術聯盟
建（jiàn）議（yì）設立國家超精密加工技術協（xié）同創新中心、光（guāng）學元件（jiàn）超（chāo）精密製（zhì）造技術創新聯盟（méng）。采取（qǔ）“政產學研用”協同創新模式，積極發揮政府引導作用，形成市場主導的發展模式。強（qiáng）化用戶工藝主導（dǎo）的主（zhǔ）機研發理念，突（tū）出用戶工藝應用驗證，提升超精密加工機床（chuáng）的工藝適（shì）應性。組織企業需求對接、重大項目論證、關鍵技術研討，著力解決機床正向（xiàng）設計與資源構建、超精密機床製造、可靠性與精（jīng）度保持性、納（nà）米 / 亞納米精（jīng）度創成、近無（wú）缺陷加工等關鍵（jiàn）技術和瓶頸環節。
（二）加（jiā）大資源（yuán）保障力（lì）度，布（bù）局基礎研究和技（jì）術攻關計劃（huá）
在國家各類科技計劃中，有層次、有重點地支持光學元件超精密（mì）加工技術發展。建議設立“關（guān）鍵光學元件高性能（néng）製造基礎”國家自然科（kē）學基金重大項目、“光學（xué）製造基礎”國家自然科學基金重（chóng）大研究計劃（huá），支持突破光學元件高性能製造的（de）基礎理論與關鍵技術。建議接續實施（shī）“高檔數控機床與基（jī）礎製造裝備”國家科技重大專項，增設“光學元件高性能超精密製造技術（shù）與裝備”專題，為超精密（mì）數控機床發展提供關鍵支持。建議“高性能製造技術與重大裝備”國家重點研發計劃項目加（jiā）大對光學元件超精密製造技術與裝備的支持力度，推動光學製（zhì）造共性關鍵技術研發與應用（yòng）示範。
（三）加強人才培育，構建（jiàn）梯隊並擴大隊伍規模
機床（chuáng）領（lǐng）域相對“冷門（mén）”，在高校中的學科地位被弱化，高端人才流失現象嚴重，人才梯隊建設較為滯後。構建本（běn）領域的國家戰略科（kē）技力量，需要依托創新（xīn）型領軍企業、具有比較優勢的（de）科研院所，在（zài）培養、引進、用好領軍人才、創新團隊方麵積極作為。建立高端人才引進通道，完善（shàn）配套政策，運用技術入股、股權激（jī）勵、成（chéng）果轉化收益分配等機製。培育麵向工業創新需求的工程技術人才、基礎紮實的應用型研發人才，合理擴大隊伍規模。可在（zài）各類科技計劃中增設（shè）定（dìng）向項目，給與專業團隊連續支（zhī）持，保持研（yán）究隊伍穩定。
（四）築牢產業發展基礎，培育龍頭企業、專精特新“小巨人”企業
建議發布政策並配套保障資源，支持國產超（chāo）精密機床、高（gāo）檔數控係統、高（gāo）性能關（guān）鍵功能部件、高性能刀具的產品研發與（yǔ）示範應用，兼顧市場競（jìng）爭力提（tí）升和自主可控能力增強。培（péi）育光學製造技術與裝備方麵的龍頭企業，鼓勵關聯（lián）企業發（fā）展成為專精特新“小巨人”企業，在財稅（shuì）、投融資、技術研發、產品進 / 出口、知識產權、國際合作等方麵給與重點支持。
